微波沉積難熔金屬及化合物介紹
微波沉積難熔金屬及化合物介紹 張敬祎 高秀敏 黃富育 （青島環(huán)友等離子技術(shù)研究所）于慶先 孫四通 （青島科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院）
當(dāng)前半導(dǎo)體芯片的制造的特征尺寸已經(jīng)達(dá)到納米級，光伏電池的轉(zhuǎn)化率要想達(dá)到30％硅系材料已經(jīng)不能夠滿足需要，這迫使我們提高鍍膜技術(shù)，研發(fā)新的設(shè)備。為此我們研制了微波等離子濺射臺沉積難熔金屬及化合物，簡介如下：以銅、鎳、鈦等制造對靶，進(jìn)行800～1200V的Ar交流離子轟擊濺射出金屬氣氛，2450MHz的微波將其等離子化并輸運(yùn)到基片（100～300℃）表面，在60V偏壓下沉積。雖然輝光放電濺射的粒子細(xì)膩，可是效率較低，主要原因是部分離子返回靶面；而微波等離子體的優(yōu)點(diǎn)在于離化率高達(dá)20％，它沖刷靶面可將濺射和返回的金屬離子帶走并保持等離子態(tài)直達(dá)基片；在負(fù)偏壓的導(dǎo)引下微波等離子體的轟擊可以高質(zhì)量地清洗基片；這樣就可以獲得結(jié)晶細(xì)膩與基片結(jié)合力牢固的鍍膜，并能夠深入到寬度僅為數(shù)十納米的刻蝕槽底。從該設(shè)備工藝效果來看，在玻璃襯底上直接鍍銅，結(jié)合的非常牢固，銅色厚重而均勻；硅片沉積鎳膜呈銀白色，反光能力很強(qiáng)；濺射率低的鈦需要在轟擊氣氛中加入氫，除去表面氧化鈦鈍化膜后，濺射率得到提高，只是鈦的吸氫、吐氫過程轟擊電流不穩(wěn)，需要特別注意。鈦不能夠用化學(xué)法沉積，結(jié)合力牢固的等離子沉積很有意義。如果使用多組不同金屬對靶就可以獲得合金膜，合金成分可以按照靶面積、濺射率及輸入功率共同確定，不必使用合金靶。高熔點(diǎn)金屬靶不必水冷，插入靶座即可轟擊放電；采用內(nèi)調(diào)諧系統(tǒng)，微波泄漏率僅為微瓦級，（國際標(biāo)準(zhǔn)為毫瓦級），安裝更換基片極為方便，有效面積為Φ200，基片z*高加熱溫度700℃，可以對基片原位退火。視鏡能夠觀察靶與襯底的輝光顏色，不泄漏微波，使用合適的儀表可以控制溫度及沉積速度。
沉積金屬化合物時本設(shè)備可以克服“靶中毒”。當(dāng)鈦靶在Ar和N2轟擊下表面生成金黃色的TiN，造成基片無法鍍膜時，靶電壓會自動提高500V以上，靶電流降為0.1A。此時施加更高的電壓用Ar強(qiáng)化轟擊靶可以擊碎絕緣層，消除靶中毒，使靶電流電壓恢復(fù)正常，鈦的濺射和TiN的沉積同時進(jìn)行；因?yàn)橹灰谖⒉ㄝ椪障職怏w就可以電離，設(shè)備的反應(yīng)氣體可以與Ar分別輸入，入口接近基片的氮?dú)饧词鼓鏀U(kuò)散到靶面生成少量的TiN，也不會停留，高離化率的微波等離子體的強(qiáng)沖刷會將其帶走，有效避免靶中毒的發(fā)生。如果使用的高電壓在濺射開始時就加在對靶上，靶中毒根本不會發(fā)生，其值被稱為“不生殼電壓”；值得注意的是在該閾值下反應(yīng)氣體也不能夠無限制的增加，一旦發(fā)生高電壓下的靶中毒將更難克服。該方法在使用笑氣時再一次被證明，只是含氮的氧化鈦透明膜的“不生殼電壓”略高，原因在于氧與鈦的結(jié)合力更強(qiáng)。克服了靶中毒就可以直接使用純金屬作靶，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用極為廣闊的“反應(yīng)濺射”。不再使用制造困難的陶瓷靶，可以簡化工藝、設(shè)備，大大節(jié)能和降低成本。
當(dāng)前半導(dǎo)體芯片的制造的特征尺寸已經(jīng)達(dá)到納米級，光伏電池的轉(zhuǎn)化率要想達(dá)到30％硅系材料已經(jīng)不能夠滿足需要，這迫使我們提高鍍膜技術(shù)，研發(fā)新的設(shè)備。為此我們研制了微波等離子濺射臺沉積難熔金屬及化合物，簡介如下：以銅、鎳、鈦等制造對靶，進(jìn)行800～1200V的Ar交流離子轟擊濺射出金屬氣氛，2450MHz的微波將其等離子化并輸運(yùn)到基片（100～300℃）表面，在60V偏壓下沉積。雖然輝光放電濺射的粒子細(xì)膩，可是效率較低，主要原因是部分離子返回靶面；而微波等離子體的優(yōu)點(diǎn)在于離化率高達(dá)20％，它沖刷靶面可將濺射和返回的金屬離子帶走并保持等離子態(tài)直達(dá)基片；在負(fù)偏壓的導(dǎo)引下微波等離子體的轟擊可以高質(zhì)量地清洗基片；這樣就可以獲得結(jié)晶細(xì)膩與基片結(jié)合力牢固的鍍膜，并能夠深入到寬度僅為數(shù)十納米的刻蝕槽底。從該設(shè)備工藝效果來看，在玻璃襯底上直接鍍銅，結(jié)合的非常牢固，銅色厚重而均勻；硅片沉積鎳膜呈銀白色，反光能力很強(qiáng)；濺射率低的鈦需要在轟擊氣氛中加入氫，除去表面氧化鈦鈍化膜后，濺射率得到提高，只是鈦的吸氫、吐氫過程轟擊電流不穩(wěn)，需要特別注意。鈦不能夠用化學(xué)法沉積，結(jié)合力牢固的等離子沉積很有意義。如果使用多組不同金屬對靶就可以獲得合金膜，合金成分可以按照靶面積、濺射率及輸入功率共同確定，不必使用合金靶。高熔點(diǎn)金屬靶不必水冷，插入靶座即可轟擊放電；采用內(nèi)調(diào)諧系統(tǒng)，微波泄漏率僅為微瓦級，（國際標(biāo)準(zhǔn)為毫瓦級），安裝更換基片極為方便，有效面積為Φ200，基片z*高加熱溫度700℃，可以對基片原位退火。視鏡能夠觀察靶與襯底的輝光顏色，不泄漏微波，使用合適的儀表可以控制溫度及沉積速度。
沉積金屬化合物時本設(shè)備可以克服“靶中毒”。當(dāng)鈦靶在Ar和N2轟擊下表面生成金黃色的TiN，造成基片無法鍍膜時，靶電壓會自動提高500V以上，靶電流降為0.1A。此時施加更高的電壓用Ar強(qiáng)化轟擊靶可以擊碎絕緣層，消除靶中毒，使靶電流電壓恢復(fù)正常，鈦的濺射和TiN的沉積同時進(jìn)行；因?yàn)橹灰谖⒉ㄝ椪障職怏w就可以電離，設(shè)備的反應(yīng)氣體可以與Ar分別輸入，入口接近基片的氮?dú)饧词鼓鏀U(kuò)散到靶面生成少量的TiN，也不會停留，高離化率的微波等離子體的強(qiáng)沖刷會將其帶走，有效避免靶中毒的發(fā)生。如果使用的高電壓在濺射開始時就加在對靶上，靶中毒根本不會發(fā)生，其值被稱為“不生殼電壓”；值得注意的是在該閾值下反應(yīng)氣體也不能夠無限制的增加，一旦發(fā)生高電壓下的靶中毒將更難克服。該方法在使用笑氣時再一次被證明，只是含氮的氧化鈦透明膜的“不生殼電壓”略高，原因在于氧與鈦的結(jié)合力更強(qiáng)。克服了靶中毒就可以直接使用純金屬作靶，實(shí)現(xiàn)應(yīng)用極為廣闊的“反應(yīng)濺射”。不再使用制造困難的陶瓷靶，可以簡化工藝、設(shè)備，大大節(jié)能和降低成本。
